Stimuleret in situ reduktiv deklorering. Vidensopsamling og screening af lokaliteter

Stimuleret in situ reduktiv deklorering. Vidensopsamling og screening af lokaliteter Hovedrapport Torben Højbjerg Jørgensen, COWI A/S Charlotte Scheutz, Danmarks Tekniske Universitet Neal D. Durant, GeoSyntec Consultants Evan Cox, GeoSyntec Consultants Niels Erik Bordum, COWI A/S Poul Rasmussen, Fyns Amt Poul Løgstrup Bjerg, Danmarks Tekniske Universitet Miljøprojekt Nr. 983 2005 Teknologiudviklingsprogrammet for jord- og grundvandsforurening

Miljøstyrelsen vil, når lejligheden gives, offentliggøre rapporter og indlæg vedrørende forsknings- og udviklingsprojekter inden for miljøsektoren, finansieret af Miljøstyrelsens undersøgelsesbevilling. Det skal bemærkes, at en sådan offentliggørelse ikke nødvendigvis betyder, at det pågældende indlæg giver udtryk for Miljøstyrelsens synspunkter. Offentliggørelsen betyder imidlertid, at Miljøstyrelsen finder, at indholdet udgør et væsentligt indlæg i debatten omkring den danske miljøpolitik.

Indhold FORORD 7 SAMMENFATNING OG KONKLUSIONER 9 SUMMARY AND CONCLUSIONS 15 1 INDLEDNING 21 1.1 BAGGRUND 21 1.2 FORMÅL 21 1.3 DATAINDSAMLING 21 1.3.1 Anvendt litteratur 21 1.3.2 Skemaer med nøgleinformationer 22 1.3.3 Anden videnindsamling 22 2 NEDBRYDNING AF KLOREREDE ETHENER SAMT 1,1,1- TRIKLORETHAN 23 2.1 NEDBRYDNINGSPROCESSER 24 2.1.1 Reduktiv deklorering 26 2.1.2 Cometabolsk oxidation under aerobe forhold 28 2.1.3 Direkte oxidation 28 2.2 REDOXPROCESSER OG NEDBRYDNING AF KLOREREDE ETHENER 30 2.3 MIKROORGANISMER OG ANAEROB DEKLORERING 32 2.4 MIKROBIELLE METODER TIL UNDERSØGELSE AF DEHALOCOCCOIDES 35 3 STIMULERET REDUKTIV DEKLORERING: LABORATORIEFORSØG 37 3.1 OVERSIGT OVER LABORATORIEFORSØG 37 3.2 SUBSTRATER - ELEKTRONDONORER 40 3.3 FERMENTERING 41 3.4 MIKROBIEL KONKURRENCE OM HYDROGEN 43 3.5 NEDBRYDNINGSRATER 45 3.6 STYRENDE FAKTORER 49 3.6.1 Næringsstoffer 49 3.6.2 ph 50 3.6.3 Temperatur 50 3.6.4 Inhibering på grund af andre forureningskomponenter 50 3.6.5 Betydning af koncentration og fri fase af opløsningsmidler 51 3.7 TREATABILITY-TEST 51 3.7.1 Sediment- og grundvandsprøvetagning 52 3.7.2 Opsætning af flaskeforsøg 53 3.7.3 Inkubation og udtag til analyser 56 3.7.4 Databehandling 57 4 PILOT- OG FULDSKALA ERFARINGER MED STIMULERET NEDBRYDNING 58 4.1 OVERSIGT OVER FELTERFARINGER 58 4.1.1 Lande hvor der er gennemført oprensninger 58 4.1.2 Hvad kan oprenses? 58 3

4.1.3 Principper for oprensning med anaerob deklorering 59 4.1.4 Aktive og passive in situ systemer 60 4.2 LOKALITETSBESTEMTE FORHOLD 63 4.2.1 Geologi og hydrogeologi 63 4.2.2 Grundvandskemi 66 4.2.3 Fysiske forhold på lokaliteten 68 4.3 DIMENSIONERINGSGRUNDLAG 68 4.3.1 Lokalitetsbeskrivelse og -feltundersøgelser 69 4.3.2 Laboratorieforsøg (treatability tests) 69 4.3.3 Dimensioneringsforsøg i felten 69 4.3.4 Fuldskala implementering 72 4.4 ELEKTRONDONORER 73 4.4.1 Valg af elektrondonor 73 4.4.2 Tilsætning af elektrondonor 77 4.4.3 Forbrug og levetid af donorer 78 4.4.4 Tilklogning af boringer 78 4.5 BIOAUGMENTATION - TILSÆTNING AF BAKTERIEKULTURER 83 4.5.1 Bakteriekulturer 84 4.5.2 Vurdering af behov for bioaugmentation 84 4.5.3 Volumen af bakteriekoncentration 85 4.5.4 Levering, håndtering og tilsætning af bakteriekulturer 86 4.6 MONITERING AF OPRENSNINGSEFFEKTEN 87 4.6.1 Moniteringsboringer 88 4.6.2 Moniteringsprogram 89 4.6.3 Moniteringsparametre 89 4.7 OBSERVEREDE NEDBRYDNINGSRATER 90 4.8 OPRENSNINGSEFFEKT 91 4.9 TIDSPERSPEKTIV FOR AFSLUTNING AF SAGER OG TILBAGESLAGSMÅLINGER 92 5 RISIKOFORHOLD VED STIMULERET ANAEROB NEDBRYDNING 95 5.1 FORHOLD I DANMARK 95 5.1.1 Lovgivning 95 5.1.2 Erfaringer i Danmark 95 5.2 FORHOLD I EUROPA 97 5.2.1 Det Europæiske Miljøagentur 97 5.2.2 Erfaringer i Holland 97 5.3 FORHOLD I NORDAMERIKA 98 5.3.1 Tilsætning af elektrondonorer til grundvand 98 5.3.2 Patogene stoffer og tilsætning af bakteriekulturer 98 5.3.3 Reinjektion af forurenet grundvand 99 6 ØKONOMI 100 6.1 ERFARINGER FRA DANMARK 100 6.2 ERFARINGER FRA NORDAMERIKA 100 6.2.1 Elektrondonorer 100 6.2.2 Bakteriekulturer 101 6.2.3 Laboratorietest 102 6.2.4 Pilotforsøg 102 6.2.5 Fuldskalaoprensning på en hypotetisk lokalitet 102 6.3 ERFARINGER FRA HOLLAND 104 7 SAMMENFATNING AF LITTERATURSTUDIE 105 7.1 INDLEDNING 105 7.2 REDUKTIV ANAEROB DEKLORERING 105 4

7.3 ANVENDELSE AF ANAEROB DEKLORERING SOM AFVÆRGE 107 7.4 STIMULERING MED ELEKTRONDONOR OG BAKTERIER 108 7.5 ØKONOMI, MYNDIGHEDSBEHANDLING OG AFSLUTNING AF SAGER110 7.6 UDVIKLINGSBEHOV 111 8 SCREENING AF LOKALITETER 114 8.1 FORSLAG TIL SCREENINGSMODEL 114 8.2 KRITERIER FOR SCREENINGSMODELLEN 115 8.2.1 Forundersøgelser og hydrogeologisk profil 115 8.2.2 Forureningsprofil 117 8.2.3 Geokemisk profil 118 8.2.4 Logistiske faktorer 118 8.3 VALG AF LOKALITETER 118 8.3.1 Præsentation af lokaliteter som indgår i screeningen 118 8.3.2 Definition af indsatsområde 120 8.4 RESULTAT AF SCREENINGEN 121 8.4.1 Forundersøgelser og hydrogeologisk profil 121 8.4.2 Forureningsprofil 123 8.4.3 Geokemisk profil 124 8.4.4 Logistiske forhold 125 8.4.5 Samlet score 127 8.5 UDVÆLGELSE AF LOKALITETER 129 8.6 VURDERING AF SCREENINGSMODEL 132 9 REFERENCELISTE 135 9.1 REFERENCELISTE 135 9.2 REFERENCER FOR HENVENDELSE TIL MYNDIGHEDER OG RÅDGIVERE 153... 5

6

Forord Stimuleret in situ reduktiv deklorering er i Nordamerika en af de mest lovende metoder til oprensning af klorerede opløsningsmidler i grundvandet. Der er her efterhånden stor erfaring med metoden - især inden for de sidste 5 år - hvor der er gennemført en række pilot- og fuldskala oprensninger. I Danmark er der kun et enkelt eksempel på felterfaringer i form af et pilotforsøg. I forhold til mange andre oprensningsmetoder er stimuleret reduktiv deklorering forholdsvis kompliceret, da den udover de traditionelle arbejdsområder (hydrogeologi, forureningskemi, dimensionering og implementering) omfatter et meget betydende mikrobiel og geokemisk element, især efter at bioaugmentation (tilsætning af bakterier) indgår som en del af teknologien. Da metoden i Nordamerika regnes som en af de mest lovende afværgemetoder, er der i Danmark stigende interesse fra såvel myndigheder, forskningsinstitutioner og rådgivere i at få afprøvet metoden under danske forhold. For at undgå for mange opstartsvanskeligheder, er der ligeledes en erkendelse af, at det er vigtigt at få overført nogle af de væsentligste erfaringer, som der allerede er høstet i udlandet. I dette projekt gennemføres der en opsamling af den viden, som nationalt og internationalt er tilgængelig om emnet. Der udvikles ligeledes en screeningsmodel, som kan anvendes til en indledende vurdering af, om oprensning med stimuleret in situ reduktiv deklorering på en given lokalitet, er en mulighed. Projektet er gennemført som et samarbejde mellem Miljø & Ressourcer DTU, GeoSyntec Consultants og COWI A/S. Projektet er udført for Fyns Amt og er et led i Miljøstyrelsens Teknologiprogram for jord- og grundvandsforurening. GeoSyntec Consultants, som medvirker i projektet er et canadisk firma, og er et af de firmaer i Nordamerika, som har størst erfaring med metoden, både med hensyn til laboratorieforsøg og praktiske erfaringer i felten. Miljøstyrelsen har nedsat en styregruppe til at følge arbejdet. Styregruppen har bestået af: Poul Rasmussen (formand) og Jacob Weber, Fyns Amt Ulla Højsholt og Inger Asp Fuglsang, Miljøstyrelsen Peder Johansen, Københavns Amt Mogens R. Flindt, Syddansk Universitet Rapporten er opdelt i en hovedrapport og en særskilt appendiksrapport. 7

8

Sammenfatning og konklusioner Denne rapport belyser muligheden for at anvende stimuleret in situ reduktiv deklorering som afværgeteknologi i forhold til danske lokaliteter, der er forurenet med klorerede opløsningsmidler. Projektet er udført under Miljøstyrelsens Teknologiprogram for jord- og grundvandsforurening i samarbejde med Fyns Amt. Projektet er gennemført som et samarbejde mellem Danmarks Tekniske Universitet - Miljø & Ressourcer DTU, GeoSyntec Consultants og COWI A/S. I rapporten er der gennemført en opsamling af den viden, som nationalt og internationalt er tilgængelig om emnet. Der udvikles ligeledes en screeningsmodel til en indledende vurdering af oprensning med stimuleret in situ reduktiv deklorering på en given lokalitet. Modellen bliver i første omgang anvendt til at screene 13 lokaliteter på Fyn, som alle er forurenet med klorerede opløsningsmidler. Projektet er afgrænset til at omfatte nedbrydning af klorerede ethener samt 1,1,1-TCA. Vidensopsamling Reduktiv anaerob deklorering Stimuleret in situ reduktiv deklorering er en afværgemetode, der kan anvendes ved oprensning af grunde forurenet med klorerede ethener, hvorved de naturlige nedbrydningsprocesser i grundvandssystemet stimuleres ved tilsætning af elektrondonor og/eller bakterier. Ved anaerob deklorering sker en trinvis fjernelse (substitution med hydrogen) af kloratomerne, så der fra PCE dannes TCE, cis-dce, VC og til sidst ethen. Anaerob deklorering er en redoxproces, hvor visse bakterier benytter de klorerede ethener som elektronacceptor til generering af energi i en respirationsproces ofte kaldet halorespiration. De fleste halorespirerende bakterier anvender hydrogen som den primære elektrondonor i nedbrydningen af klorerede ethener. Processen kan forløbe naturligt i forurenede grundvandssystemer under stærkt reducerende redoxforhold, men vil ofte være begrænset af mangel på elektrondonor. Flere halorespirerende bakterier kan deklorere PCE eller TCE til cis-dce, men der er i dag kun kendskab til én renkultur Dehalococcoides ethenogens 195, der reduktivt kan deklorere PCE eller TCE fuldstændigt til ethen. Det sidste trin i dekloreringsfølgen fra vinylklorid til ethen foregår formentlig ved cometabolsk transformation og er ikke kædet sammen med halorespiration. Dehalococcoides ethenogens 195 tilhører bakteriestammen Dehalococcoides, som har den egenskab, at den kan foretage reduktiv deklorering fra cis-dce til VC. I praksis er dette overordentlig vigtigt, da det betyder, at den anaerobe deklorering fra PCE til cis-dce kun kan ses som første del af processen. Forekomsten af cis-dce beviser derfor ikke i sig selv, at der kan ske fuldstændig nedbrydning til vinylklorid og ethen på en lokalitet. Manglende tilstedeværelse af Dehalococcoides er sandsynligvis ensbetydende med, at anaerob deklorering fra cis-dce til VC ikke finder sted. 9

Anvendelse af stimuleret in situ reduktiv deklorering som afværgeteknologi Ved anvendelse af stimuleret in situ reduktiv deklorering som afværgemetode tilsættes der elektrondonorer ofte i form af organisk stof samt næringsstoffer til den mættede zone. Ved fermentering af elektrondoneren dannes der hydrogen, som anvendes i den reduktive deklorering. Tilsætning af elektrondonorer alene (uden bakterietilsætning) benævnes biostimulering. Tilsættes der samtidig bakteriekultur benævnes det bioaugmentation. Hovedparten af erfaringer med metoden i pilot- og fuldskala er opnået i Nordamerika. Der er også en del aktiviteter i Holland, men der er kun få publikationer herfra i den internationale litteratur. I Danmark er der kun et enkelt eksempel på felterfaringer i form af et pilotforsøg. Metoden kan anvendes på både klorerede ethener og 1,1,1-TCA. Fjernelse af den frie fase anbefales altid forud for en oprensning med stimuleret in situ reduktiv deklorering. Potentialet for at stimulere nedbrydning af frie faser af opløsningsmidler eller på grænsefladen mellem frie faser og forureningsfanen er ud fra laboratorieforsøg tilsyneladende til stede. Dette forhold er et væsentligt forskningsområde og undersøges i øjeblikket i felten i Nordamerika i pilotforsøg. Da stimuleret in situ reduktiv deklorering består af tilsætning af elektrondonorer og næringsstoffer til grundvand, er teknologien indtil videre kun brugbar til behandling i den mættede zone. Principper for oprensning Ved feltoprensninger opereres der med henholdsvis aktive og passive systemer. Aktive systemer benytter konstant eller pulserende tilsætning af elektrondonorer ofte kombineret med oppumpning og recirkulation af grundvand. I forhold til passive systemer kræver aktive systemer mere materiel over jorden såsom pumper og rørføringer, injektionsudstyr og evt. automatisk kontrol- og moniteringsudstyr. Aktive systemer anvendes oftest i aflejringer med god hydraulisk ledningsevne som sand/grus-aflejringer, men de er også benyttet i sprækkede aflejringer. Fordelen ved aktive systemer er en bedre fordeling af tilsætningsstoffer i magasinet end for passive systemer. Dette bevirker en hurtigere og mere effektiv oprensning. De største ulemper ved aktive systemer er, at de ikke er velegnede i lavpermeable aflejringer. Herudover er driften af afværgeforanstaltninger typisk vanskeligere end for passive systemer. Passive systemer består af én eller flere injektioner af donor i behandlingsområdet eller af indbygning af biobarrierer. Passive systemer er generelt simple og nemme at implementere. Driftsproblemer med tilklogning af boringer er ligeledes mindre end for aktive systemer. I forhold til aktive systemer er passive systemer ikke så gode til at opnå den samme kontakt mellem elektrondonor, bakterier og de klorerede ethener. Oprensningseffekten er derfor typisk dårligere end for aktive systemer. Vurdering af erfaringerne med aktive og passive injektionssystemer lider under, at de data, der er tilgængelige for passive systemer, er af begrænset kvalitet. Hydrogeologi In situ anaerob deklorering som afværgeteknologi har hovedsagelig været anvendt i sandede grundvandsmagasiner, og der er på det seneste sket en stærk udvikling i anvendelsen i opsprækkede bjergarter (kalk, granit). 10

Vidensgrundlaget vedrørende oprensning i lavpermeable akviferer er ringe. De opnåede erfaringer tyder på, at man vil møde de samme problemer som alle andre teknikker på sådanne lokaliteter dvs. problemer med tilførsel og opblanding (kontakt med forureningen), besværlig monitering, og lange tidshorisonter. Da forurening med klorerede opløsningsmidler i Danmark ofte er knyttet til lavpermeable aflejringer er der et behov for ved hjælp af pilotforsøg at afklare, om det er muligt at oprense lavpermeable aflejringer. Redoxforhold I litteraturgennemgangen har metoden fundet anvendelse både i anaerobe og aerobe magasiner. Markant ophobning af nedbrydningsprodukterne cis-dce, VC og ethen sammen med stærkt reducerede forhold er gode indikationer på, at grundvandskemien på lokaliteten er gunstig for stimuleret in situ reduktiv deklorering. På lokaliteter med aerobe forhold, hvor koncentrationen af nedbrydningsprodukter er ubetydelig, kan stimuleret in situ anaerob deklorering stadig være en velegnet metode. Tilvænningsperioden, før den anaerobe deklorering er effektiv, vil dog være længere end på lokaliteter med allerede anaerobe forhold. På aerobe lokaliteter vil behovet for tilsætning af bakterier (bioaugmentation) sandsynligvis også være større. Elektrondonorer Stoffer, der normalt benyttes som elektrondonorer, er laktatbaserede polymerer (HRC), oliebaserede langsomt frigivende forbindelser, opløselige forbindelser såsom sukkerstoffer (melasse), fødevarebaserede syrer (acetat eller laktat), alkoholer (metanol eller ethanol) og andre naturligt forekomne materialer (kitin eller komposteret findelt træ/bark). Under anaerobe forhold er alle disse stoffer genstand for fermentering, hvorved der dannes hydrogen (H 2 ). Der skelnes mellem opløste letomsættelige elektrondonorer og langsomtfrigivende elektrondonorer. Sand- og grusmagasiner og sprækkede formationer som kalkmagasiner er ofte velegnede til aktiv tilsætning af opløste letomsættelige elektrondonorer såsom laktat, metanol, etanol og acetat. I lavpermeable aflejringer anvendes typisk langsomtfrigivende elektrondonorer som HRC, vegetabilske olier eller emulgeret sojabønneolie. Der kan generelt ikke udpeges nogle elektrondonorer, som på forhånd kan siges at være bedre end andre, da mange elektrondonorer har vist sig at være velegnede. For at sikre et procesmæssigt optimalt donorvalg foreslås det derfor, at der med det nuværende erfaringsgrundlag gennemføres laboratorieforsøg med donorer, som er potentielle kandidater på den givne lokalitet. Disse forsøg kan også belyse donorforbruget på den givne lokalitet. Den største usikkerhed omkring behovet for elektrondonor er knyttet til mængden af biologisk tilgængeligt jern. Der er i litteraturen meget lidt fokus på den problemstilling, men samtidig er der i mange feltafprøvninger rapporteret om høje koncentrationer af opløst jern. Uanset om jern har signifikant betydning som elektronacceptor, er det værd at bemærke, at det samlede elektrondonorbehov typisk er betydeligt lavere end de mængder af kemiske oxidationsmidler, som tilsættes ved fx kemisk oxidation. Tilsætning af bakterier (bioaugmentation) Mange af pilot- og fuldskaloprensninger indikerer, at det er nødvendigt at tilsætte bakteriekultur for at få en fuldstændig nedbrydning til ethen, idet nedbrydningen ofte standser ved cis-dce uden tilsætning af bakterier. 11

Den anden væsentlige diskussion er, om det er en fordel at tilsætte yderligere bakterier til et system, hvor der sker anaerob deklorering til ethen. Det kan der ikke svares entydigt på i dag, da der vides for lidt om bakteriernes evne til at vokse under feltforhold i forhold til eksisterende bakterier. Litteraturgennemgangen indikerer, at det er en fordel i form af en hurtigere nedbrydning. Dette kan være et meget vigtigt argument, da tidshorisonten i oprensningen måske kan mindskes. Oprensningseffekt og tidshorisont De bedste oprensningseffekter er fundet på aktive systemer med anvendelse af bioaugmentation. Her er det lykkedes at oprense til under 10 µg/l for summen af klorerede opløsningsmidler. I litteraturen er der få rapporter om afsluttede sager, herunder nødvendige tidshorisonter for en oprensning. De hurtigste oprensninger er fundet ved aktive systemer med anvendelse af bioaugmentation, mens de langsomste oprensninger er fundet ved passive oprensninger i lavpermeable aflejringer. Det er dog meget sandsynligt, at tidsforløbene med det nuværende stade af stimuleret in situ anaerob deklorering vil være flere år, så der er ikke tale om en revolution i effektiviteten af oprensning af klorerede opløsningsmidler i forhold til andre in situ metoder. Metoden vurderes at have et betydeligt udviklingspotentiale, hvis der forsat sker en målrettet udvikling og anvendelse af metoden i Danmark og i udlandet. Spredning og overlevelse af bakterier Risikoen ved injektion af bakterier anses for at være ubetydelig, hvis de procedurer, der er udviklet i Nordamerika, overholdes. Umiddelbart er det største problem risikoen for injektion af patogene mikroorganismer, hvilket skal sikres ved attester på, at bakteriekulturerne er testet og fundet fri for patogener. Det skal understreges, at de kendte bioaugmentation teknikker benytter sig af bakterier, som er opformeret på baggrund af naturligt forekommende bakterier. Der er altså ikke tale om genetisk manipulerede bakterier (GMO). Et hyppigt spørgsmål er muligheden for spredning og overlevelse af de injicerede bakterier. Bakterierne kan transporteres i akviferer, hvilket nærmest er en forudsætning for, at de kan anvendes til bioaugmentation. Spredningshastigheden er formentlig langsommere end den naturlige grundvandstrømningshastighed. Dehalococcoides s overlevelse i akviferer er ikke velundersøgt. Det forventes ikke, at der sker en stærk vækst af bakterierne udenfor områder forurenet med klorerede opløsningsmidler. Kulturen henfalder eller dør formentlig under aerobe forhold, men vidensniveauet er meget sparsomt. Forslag til undersøgelsesprogram I forhold til de nuværende danske forureningsundersøgelser er der i fremtiden behov for at måle ethen og ethan som standard i grundvandet. Bestemmelse af det organiske stof i sedimentet anbefales også at indgå som standard. Desuden er der behov for at bestemme redoxforholdene. Merudgifterne til disse undersøgelser vil være relativ små, under forudsætning af, at disse udføres samtidig med de andre undersøgelser, som i forvejen foretages i en videregående undersøgelse. Økonomi I forhold til andre oprensningsmetoder som airsparging, kemisk oxidation og afværgepumpning vurderes stimuleret reduktiv deklorering at være 12

konkurrencedygtig. Det vil dog afhænge af en konkret vurdering på den enkelte sag. Lovgivning Tilsætning af bakterier og substrat til grundvandet samt en eventuel recirkulering af bakterieholdigt grundvand kræver i Danmark normalt en tilladelse i henhold til miljøbeskyttelseslovens 19, stk. 1. Amtet er tilladelsesmyndighed i henhold til 19, stk. 4. Krav til eventuel monitering vil blive fastlagt af amtet i forbindelse med tilladelsen og indgå som et vilkår i denne. Dog gælder i henhold til jordforureningslovens 63, at hvis der er tale om undersøgelser eller afværgeprojekter i forbindelse med den offentlige indsats, kan disse gennemføres uden tilladelse efter bl.a. miljøbeskyttelsesloven og vandforsyningsloven. Det er en forudsætning, at der er tale om et egentligt afværge- eller undersøgelsesprojekt. Amtsrådet kan afgøre, hvorvidt en sag falder ind under den offentlige undersøgelses- og afværgeindsats. Udviklingsbehov I forhold til mange andre oprensningsmetoder er stimuleret reduktiv deklorering forholdsvis kompliceret, da den udover de traditionelle arbejdsområder (hydrogeologi, forureningskemi, dimensionering og implementering) omfatter et meget betydende mikrobiel og geokemisk element, især efter at bioaugmentation (tilsætning af bakterier) indgår som en del af teknologien. Dette indebærer, at der er et behov for et samspil mellem myndigheder, forskere og rådgivere. Nedenstående emner viser, hvor der er behov for udvikling af anaerob deklorering som afværgeteknologi på feltskala i Danmark: Veldokumenterede pilotforsøg, og fuldskala implementeringer, hvorunder valg og forbrug af af donor vurderes Oprensning på lav permeable lokaliteter eller i umættet zone Oprensning af frie faser eller på grænsefladen mellem frie faser og forureningsfanen Håndtering og injektion af bakterier Vurdering af behov for bioaugmentation Laboratoriemetoder til vurdering af potentialet for anaerob deklorering og nedbrydningsrater Myndighedsgodkendelse af injektion af donor og bioaugmentation Ved løsning af ovennævnte emner vil det være relevant at inddrage såvel danske som udenlandske rådgivere/forskere og danske myndigheder (Miljøstyrelsen og amter). Screening af lokaliteter Der er udarbejdet en screeningsmodel til en indledende vurdering af oprensning med stimuleret in situ reduktiv deklorering på en given lokalitet. Modellen præsenterer en liste af kriterier til at vurdere anvendeligheden, og den tillægger en score for hvert kriterium. Kriterierne er organiseret i fire generelle kategorier: Forundersøgelser af lokaliteten/hydrogeologisk profil, forureningsprofil, geokemisk profil og logistiske faktorer. Kriterierne er vægtet i forhold til deres relevans. Kriterier, der sandsynliggør muligheden for brug af biologisk oprensning, er vægtet positivt, og kriterier, der reducerer muligheden, er vægtet negativt. Derudover er kriterier, der minimerer omkostningerne ved implementeringen vægtet positivt. De mest betydende faktorer i modellen er den hydrauliske ledningsevne og forekomst af nedbrydningsprodukter. En høj hydraulisk ledningsevne og forekomst af 13

vinylklorid og ethen/ethan giver høj score. Det har været målet, at modellen skal være relativ simpel, samt at modellen skal kunne anvendes på baggrund af det datagrundlag, som typisk findes ved danske videregående undersøgelser. Modellen er i første omgang anvendt til at screene 13 lokaliteter på Fyn. Den gennemførte screening viser stor spredning på resultaterne mellem de enkelte lokaliteter, hvilket har gjort det nemt at udvælge de mest egnede lokaliteter til afprøvning af metoden. Selv om en lokalitet har fået en lav score, er det ikke ensbetydende med, at biologisk oprensning ikke kan være attraktiv som afværgemetode på den konkrete grund i forhold til andre teknikker. Det må dog forventes, at det vil være vanskeligere at oprense forureningen med metoden på disse lokaliteter, end på de lokaliteter, der har opnået en højere score. Det vurderes, at modellen også kan anvendes i andre lignende sager med klorerede opløsningsmidler. Screeningsmodellen kan også anvendes som en tjekliste til at vurdere hvilke forhold man skal være opmærksom på, hvis biologisk oprensning overvejes som afværgemetode. 14

Summary and Conclusions This report highlights the possibility of applying stimulated in situ reductive dechlorination as a remediation technology on Danish sites polluted by chlorinated solvents. The project was carried out under the Danish Environmental Protection Agency's Technology programme of soil and groundwater pollution in cooperation with the County of Funen. The project was carried out in cooperation between the Technical University of Denmark - Environment & Resources DTU, GeoSyntec Consultants and COWI A/S. The project includes a collection of the knowledge of the subject available nationally and internationally. Additionally a screening model is developed for an initial assessment of remediation by means of stimulated in situ reductive dechlorination on a certain location. Initially the model will be applied for screening of 13 sites on Funen, all polluted by chlorinated solvents. The project is confined to including the degradation of chlorinated ethenes and 1,1,1-TCA. Literature review Reductive anaerobic dechlorination Stimulated in situ reductive dechlorination is a remediation technology applied for sites polluted by chlorinated ethenes. The natural degradation processes in the groundwater system are stimulated by addition of electron donor and/or bacteria. At anaerobic dechlorination there will be a stepwise removal (substitution by hydrogen) of the chlorine atoms, so that from PCE there will be formation of TCE, cis-dce, VC and finally ethene. Anaerobic dechlorination is a redox process, in which certain bacteria can use the chlorinated ethenes as electron acceptor for generation of energy in a respiration process often called dehalorespiration. Most dehalo-respiring bacteria use hydrogen as the primary electron donor at the dechlorination of chlorinated ethenes. The process may proceed naturally in polluted groundwater systems under reduced redox conditions, but will often be limited because of lack of electron donors. A number of dehalo-respiring bacteria are able to dechlorinate PCE or TCE to cis-dce, but today the only isolated bacterium known is, Dehalococcoides ethenogens 195 that can reductively dechlorinate PCE or TCE completely to ethene. The last dechlorination step from vinyl chloride to ethene takes probably place by cometabolic transformation and is not connected to dehalorespiration. Dehalococcoides ethenogens 195 belongs to the bacterial strain Dehalococcoides, which has the characteristics that it can carry out reductive dechlorination from cis-dce to VC. In practice this is extremely important, as it means that the anaerobic dechlorination from PCE til cis-dce can only be regarded as the first part of the process. The very presence of cis-dce does consequently not prove that a complete degradation to vinyl cloride and ethene can take place on a certain location. Absence of Dehalococcoides means probably that anaerobic dechlorination from cis-dce to VC does not take place. 15

Application of stimulated in situ reductive dechlorination as a remediation technology At application of stimulated in situ reductive dechlorination as a remediation technology, electron donors - often in the form of organic matter - and nutrients are added to the saturated zone. At fermentation of the electron donor there is a generation of hydrogen, which is used in the reductive dechlorination. Addition of electron donors alone (without addition of bacteria) is called biostimulation. If a bacterial culture is added simultaneously, it is called bioaugmentation. The majority of experience with the method in pilot and full-scale has been achieved in North America. There are however some activities in Holland, but in the international literature there are but few publications from there. In Denmark there is only one example of field experience in terms of a pilot test. The method can be used on both chlorinated ethenes and 1,1,1-TCA. Removal of the free phase is always recommended prior to remediation by stimulated in situ reductive dechlorination. On the basis of laboratory tests it seems there is a potential for stimulation of degradation of free phases or on the contact surface between free phases and the pollution plume. This is a significant research field and is at present investigated in pilot tests in the field in North America. As stimulated in situ reductive dechlorination involves addition of electron donors and fermentation substrates to groundwater, this technology is so far only applicable for treatments in the saturated zone. Remediation principles Field techniques used for stimulated in situ reductive dechlorination involve both active and passive systems. Active systems use constant or pulsating addition of electron donors - often combined with pumping and recirculation of groundwater. Compared to passive systems, active systems require more equipment on the surface, such as pumps and pipings, injection equipment and automatic control and monitoring equipment. Active systems are most often used in deposits with good hydraulic conductivity, such as sand/gravel deposits, but they are also used in fissured deposits. The advantage of active systems is a better distribution of addition agents in the aquifer compared to the passive systems. This means a shorter and a more efficient treatment time. The largest disadvantages of active systems are that they are not suitable for low-permeable deposits. Additionally the operation of remediation systems is typically more difficult than that of the passive systems. Passive systems include one or more injections of donor in the treatment area or of biobarriers. Passive systems are generally simple and easy to implement. The risk of operational problems and clogging of bore holes is less significant than in connection with active systems. In comparison to active systems, passive systems are godless efficient at achieving the same contact between electron donor, bacteria and the chlorinated ethenes. The treatment effect is therefore inferior to that of the active systems. When assessing the experience with active and passive injection systems, it should be considered that the data of passive systems collected are of inferior quality. Hydrogeology In situ anaerobic dechlorination as a remediation technology has mainly been 16

used in sandy aquifers, and lately there has been a rapid development in the application in fractured rock types (lime, granite). The knowledge basis regarding treatment of low-permeable aquifers is poor. The gained experience indicates that the same problems as with other techniques are to be expected on such sites, i.e. problems with addition and mixing (creating contact with the pollution), difficult monitoring and distant time horizons. As pollution with chlorinated solvents in Denmark is often related to low-permeable deposits, it is necessary to clarify - by means of pilot tests - the possibility of remediation of low-permeable deposits. Redox conditions At the review of literature it was found that the method has been applied in both anaerobic and aerobic aquifers. A significant accumulation of the degradation products cis-dce, VC and ethene together with considerably reduced conditions are true indications that the groundwater chemistry on the location is favourable for in situ reductive dechlorination. On sites with aerobic conditions, where the concentration of degradation products is insignificant, stimulated in situ anaerobic dechlorination might still be a suitable method. The adaptation period, before the anaerobic dechlorination is effective, will however be longer than that on sites with already anaerobic conditions. On aerobic sites the need for addition of bacteria (bioaugmentation) will probably also be higher. Prior to bioaugmentation it is important that reducing conditions have been obtained as exposure to oxygen might harm the bacteria. Electron donors Substances normally used as electron donors are lactate-based polymers (HRC), oil-based slow-releasing compounds, soluble compounds such as molasses, foodstuff-based acids (acetate or lactate), alcohols (methanol or ethanol) and other naturally occurring materials (chitin or composted wood/bark debris). Under anaerobic conditions all these materials are subjected to fermentation, at which hydrogen (H 2 ) is generated. It is distinguished between dissolved, easy-reacting electron donors and slowreleasing electron donors. Sand and gravel aquifers and fissured structures such as lime aquifers are often suitable for active addition of dissolved, easy-reacting electron donors, such as sodium lactate, methanol, ethanol and acetate. In low-permeable deposits are typically used slow-releasing electron doners, such as HRC, vegetable oils or emulsified soya bean oil. Generally there are no electron donors that can in advance be pointed out as being better than others, as many electron donors have turned out to be suitable. In order to ensure an optimal donor selection as regards the process, it is suggested - on the present experience base - to carry out laboratory tests with donors that are potential candidates on the location in question. These tests would also highlight the donor consumption on the location in question. The most significant uncertainty as to the need for electron donor is connected to the volume of biologically accessible iron. In literature there is little focus on this problem, but at the same time high concentrations of dissolved iron has been reported at many field tests. Irrespective of the fact that iron has significant importance as electron acceptor, it is worth noticing that the total electron donor requirements are typically lower than the quantities of chemical oxidants added at e.g. chemical oxidation. 17

Bacterial addition (bioaugmentation) Many of the pilot and full-scale remediation projects indicate that it is necessary to add bacterial culture to obtain a complete dechlorination to ethene, as the dechlorination often stop at cis-dce without addition of bacteria. Another significant discussion is whether it would be advantageous to add more bacteria to a system, where anaerobic dechlorination to ethene takes place. Today there is no answer to this question, as too little knowledge is available on the ability of the bacteria to grow under field conditions compared to existing bacteria. The literature review indicates that there is an advantage in the form of a faster degradation. This would be a very important argument, as it might be possible to reduce the time horizon of the treatment. Treatment effect and time frame The best remediation effects were found at active systems under application of bioaugmentation. Here, a remidiation effect below 10 µg/l of the sum of chlorinated solvents was achieved. In literature there are few reports on completed cases that include the necessary time horizons of treatment. The fastest treatment were found at active systems under application of bioaugmentation, whereas the slowest treatment were found using passive systems in low-permeable deposits. It is however probable that the time at the present stage of stimulated in situ anaerobic dechlorination will be several years, so there has been no revolution in the efficiency of the remediation of chlorinated solvents compared to other in situ methods. The method is assessed to have a considerable development potential, if the applied development and the application of the method in Denmark and abroad continue. Spreading and survival of bacteria The risk at injection of bacteria is considered insignificant, if the procedures developed in North America are followed. Immediately the greatest problem is the risk of injection of pathogenic microorganisms, which is to be ensured by means of certificates stating that the bacterial cultures have been tested and found free of pathogens. It is stressed that the known bioaugmentation techniques use bacteria, which are enriched on the basis of naturally occurring bacteria. That is to say they are not genetically manipulated bacteria (GMO). A frequently asked question concerns the risk of spreading and survival of the injected bacteria. The bacteria can be conveyed in aquifers - actually a condition for the use in connection with bioaugmentation. The speed of the spreading is probably lower than the speed of the natural groundwater flow. Dehalococcoides survival in aquifers has not been thoroughly investigated. A heavy growth of the bacteria outside areas polluted by chlorinated solvents is not expected. The culture will probably disintegrate or die under aerobic conditions, but the level of knowledge is very sparse. Proposal for a investigation scheme Compared to the present Danish pollution investigations there will in future be a need for measuring ethene and ethane in the groundwater as a standard. It is also recommended to include a determination of the organic matter in the sediment as a standard. Additionally there is a need for determination of the redox conditions. The supplementary costs for these investigations will be relatively low - under the precondition that they are carried out simultaneously with the other investigations. 18

Economy Compared to other remediation methods, such as air sparging, chemical oxidation and preventive pumping, stimulated reductive dechlorination is considered competitive. It would however depend on a specific assessment of the individual case. Legislation Addition of bacteria and substrate to the groundwater and a possible recirculation of bacteria-containing groundwater will in Denmark normally require an authorization according to the Environmental Protection Act's 19, 1. The county is the authorizing authority according to 19, 4. Requirements of a possible monitoring will be determined by the county in connection with the authorization and be included in the authorization as a condition. It is however stipulated in 63 of the Land Pollution Act that in cases of public investigations or preventive efforts, these can be carried out without authorization according to e.g. the Environmental Protection Act and the Water Supply Act. It is a precondition that it concerns an actual preventive or survey project. The County Council decides whether a case is acceptable as public survey and preventive efforts. Development needs Compared to many other remediation methods stimulated reductive dechlorination is relatively complicated, as it - in addition to the traditional fields of activity ( hydrogeology, pollution chemistry, dimensioning and implementation) involves a significant microbial and geochemical element, especially after that bioaugmentation (addition of bacteria) has become part of the technology. This means that there is a need for cooperation between authorities, researchers and consultants. The below topics show where there is a need for development of anaerobic dechlorination as preventive technology on field scale in Denmark: Well-documented pilot tests and full-scale implementations, including an assessment of choice and consumption of donor Remediation of low-permeable sites or in unsaturated zone Remediation of free phases or on the contact surface between free phases and the pollution plume Handling and injection of bacteria Assessment of need for bioaugmentation Laboratory methods for assessment of anaerobic dechlorination potential and rates of degradation Authorities' approval of injection of donor and bioaugmentation In connection with the solution of the above topics it would be relevant to involve both Danish and foreign consultants/researchers and Danish authorities (the Danish EPA). Screenings of sites A screening model has been prepared for an initial assessment of remediation by means of stimulated in situ reductive dechlorination on a certain location. The model presents a list of criteria for an assessment of the applicability, and it adds a score for each criterion. The criteria are organised in four general categories: Preliminary investigations of the location/hydrogeological profile, pollution profile, geochemical profile and logistic factors. The criteria are weighted according to their relevance. Criteria rendering probable the use of 19

stimulated in situ reductive dechlorination are weighted positively, and criteria reducing the possibility are weighted negatively. Additionally, criteria minimizing the costs of the implementation are weighted positively. The most important factors in the model are the hydraulic conductivity and presence of degradation products. A high hydraulic conductivity and presence of vinyl chloride and ethene/ethane result in a high score. The aim was a model that is relatively simple, and that it must be applicable on the basis of the data typically found at Danish extensive/successive investigations. The results generated by the model serve solely as an indication of the possibility of stimulation of the reductive dechlorination - and are consequently not to be used instead of investigations on the applicability in the field. The model presupposes that the mother product is only PCE or TCE. The model has initially been used for screening of 13 sites on Funen that are all polluted by chlorinated solvents. The screenings show a considerable variance among the individual sites. Thus it has been relatively easy to select the most suitable sites. When a location has achieved a low score, it does not mean that stimulated in situ reductive dechlorination cannot be attractive as a remediation method on the concrete location compared to other techniques. It must be expected however that it would be more difficult to treat the pollution by means of the method in question. 20